Frühwarnsystem meldet drohenden Akkuschaden

Wissenschaftler um Hui Wu von der Pekinger Tsinghua Universität entwickelten ein System, um Kurzschlüsse in Lithium-Ionen-Akkus zu vermeiden. Eine hauchdünne Kupferfolie zwischen den Elektroden lässt frühzeitig erkennen, wenn durch Metallablagerungen im Innern ein Kurzschluss droht. Die Schicht lässt sich in gängige Lithium-Ionen-Akkus integrieren, berichten die Forscher im Fachblatt „Nature Communications“.

Eine kupferfarbene und eine semitransparente Folie, gehalten von linker und rechter Hand.
Kupferlage kündigt Kurzschluss an

Herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus einer Kohlenstoffanode und einer Lithium-Metalloxid-Kathode, um die eine Elektrolytlösung fließen kann. Die dünne Polymerschicht, die die beiden Elektroden trennt, ist während der Ladevorgänge durchlässig für die Lithiumionen. Neben Defekten der Trennschicht kann auch zu schnelles Aufladen oder Laden bei Kälte zu Kurzschlüssen führen, so die Forscher: „Überladen bringt Lithium-Ionen dazu, sich an der Anode anzulagern und sogenannte Dendriten wachsen zu lassen. Diese können die poröse Trennschicht durchbohren und schließlich den Kontakt zur Kathode schließen“. Die beim Kurzschluss entstehende Hitze kann die brennbare Elektrolytlösung entzünden.

Zwischen der Polymerschicht und einer Elektrode deponierten die Wissenschaftler eine nur fünfzig Nanometer dicke Kupferschicht. „Die Kupferlage agiert wie ein Sensor und ermöglicht es, die Spannungsdifferenz zwischen Anode und Trennschicht zu messen“, berichtet Koautor Denys Zhuo von der Stanford University. „Wenn die Dendriten lang genug gewachsen sind, um die Kupferbeschichtung zu erreichen, sinkt diese Spannung auf Null. So weiß man, dass die Dendriten schon den halben Weg durch die Batterie geschafft haben.“ Dieses Signal käme früh genug, um den Akku aus dem Gerät zu nehmen, bevor die Dendriten bis zur Kathode wachsen und einen Kurzschluss auslösen. Im Prinzip lasse sich die Frühwarntechnologie auch in Zink-, Aluminium- und anderen Metalloxidbatterien nutzen, so Teammitglied Yi Cui, ebenfalls von der Stanford University. Dennoch bleibt die Methode auf Kurzschlüsse beschränkt, wie sie während des normalen Lade- und Entladebetriebs von Dendriten verursacht werden. Nicht erkannt werden Probleme durch Risse, verunreinigtes Material oder Kurzschlüsse etwa durch Sturzschäden.

Das Haupteinsatzfeld der Methode dürfte im wachsenden Markt von Elektroautos und Energiespeichern etwa für Windenergie liegen: Dafür werden Hunderte Akkuzellen zusammengeschaltet und ein einziger Defekt könnte den gesamten Batterieblock in Brand setzen. „Die Wahrscheinlichkeit für solche Kurzschlüsse liegt vielleicht bei eins zu einer Million“, erklärt Cui, „doch wir wollen die Zahl von Batteriefeuern auf eins zu einer Milliarde senken – oder vielleicht sogar auf Null.“